类壁虎机器人步态规划研究及运动控制系统研制

论文摘要

类壁虎机器人作为仿生机器人的一个重要分支,是当前特种机器人研究的热点。壁虎有着很强的运动灵活性,对行走地面的适应能力强,通过学习和模仿壁虎研制的类壁虎机器人继承了壁虎运动上的优点,具有广阔的发展前景。本文首先介绍了爬壁机器人的研究现状和进展情况。然后论述了足式步行机器人结构设计的相关理论。基于对大壁虎解剖学和运动方式的研究,设计了类壁虎爬壁机器人的机械结构和驱动形式。对机器人腿部关节机构进行运动学分析,推导了机器人三自由度手臂的运动学方程,并在此基础上求解了机器人单足的工作空间和越障能力。针对第一代机器人结构和驱动上存在的问题,设计了具有主动脱附和吸附功能的改进型机器人。简要介绍了足式步行机器人步态规划及仿真,针对本文研究的类壁虎爬壁机器人,设计了对角小跑步态、三角爬行步态和原地转向步态,解决了机器人运动中的过驱动问题。在MSC.ADAMS软件中建立机器人的虚拟样机并进行了步态仿真,检验了机器人结构和步态的可行性。同时规划了改进型机器人的步态并进行仿真分析,并探索研究了机器人地面-墙面过渡步态。基于上位机—下位机模式的控制系统,实现了通过无线模块进行数据交换和控制指令的传输。根据仿真分析得出的步态数据,编写了片上机器人控制系统程序,并设计了PC机端的集无线控制、数据传输和无线视频监控一体化的机器人控制软件。最后对机器人进行实验并不断完善机器人结构和运动步态,实验结果证明了设计方案的正确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 课题提出及本论文的主要工作
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本论文的主要工作
• 第二章 类壁虎机器人结构设计及运动学分析
• 2.1 机器人的机构类型
• 2.2 步行机器人结构设计
• 2.2.1 腿机构的基本要求和分类
• 2.2.2 腿的数量及其配置
• 2.3 类壁虎机器人结构设计
• 2.4 运动学分析
• 2.5 改进型爬壁机器人结构设计
• 2.6 机器人工作空间概述
• 2.6.1 机器人工作空间定义
• 2.6.2 工作空间分析的两个主要问题
• 2.6.3 求解机器人工作空间的常见方法
• 2.7 机器人单足工作空间求解
• 2.7.1 工作空间求解步骤及程序设计
• 2.7.2 工作空间求解结果及分析
• 2.8 本章小结
• 第三章 机器人步态规划及仿真分析
• 3.1 足式机器人步态规划概述
• 3.1.1 足式机器人步态研究现状
• 3.1.2 步态的基本定义
• 3.2 类壁虎机器人步态规划与分析
• 3.3 类壁虎机器人虚拟样机建立及仿真分析
• 3.3.1 MSC.ADAMS 简介
• 3.3.2 类壁虎机器人虚拟样机模型建立
• 3.3.3 设置虚拟样机工作环境
• 3.3.4 施加关节驱动函数
• 3.3.5 机器人平面转弯步态的规划
• 3.4 过驱动条件下的步态规划
• 3.5 改进型爬壁机器人步态仿真
• 3.6 机器人地面-墙面过渡步态探索性研究
• 3.7 本章小结
• 第四章 机器人控制系统的硬件设计
• 4.1 ATMEGA128 的性能与结构简介
• 4.1.1 Atmega128 性能简介
• 4.1.2 Atmega128 的引脚配置
• 4.2 无线传输模块
• 4.2.1 无线模块的说明
• 4.2.2 无线模块的封装和管脚描述
• 4.2.3 单片机系统和无线模块的接口电路
• 4.3 控制系统的结构图和实物图
• 4.3.1 控制系统的结构图
• 4.3.2 控制系统硬件的原理图及实物图
• 4.4 无线视频采集和传输模块
• 4.5 足端传感器系统
• 4.6 本章小结
• 第五章 机器人控制系统软件设计
• 5.1 类壁虎机器人的运动控制实现
• 5.1.1 伺服马达及其控制方法介绍
• 5.1.2 多路伺服马达的控制方法
• 5.1.3 机器人运动步态的实现
• 5.2 无线模块相关程序设计
• 5.2.1 无线模块的典型应用电路
• 5.2.2 无线模块的上电启动顺序
• 5.2.3 无线模块的配置操作
• 5.2.4 无线模块的寄存器读写操作
• 5.2.5 无线模块的数据包格式
• 5.3 控制系统的程序设计
• 5.3.1 指令的格式
• 5.3.2 控制系统发射端程序的设计
• 5.3.3 控制系统接收端的程序设计
• 5.4 PC 机端控制软件设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 机器人步态实现实验
• 6.1 机器人壁面爬行三角步态的实验
• 6.2 机器人对角小跑步态的实验
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 本文的主要工作和结论
• 7.2 今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果